一般情況下, 水下環境泛指浸入到人工水體 (如水庫、人工湖等)或自然水體(如海洋、河流、湖 泊、含水層等)中的區域。在水下環境中所拍攝 的圖像由于普遍受到光照、波長、水中懸浮顆粒物 等因素的影響，導致生成的水下圖像出現模糊、退 化、偏色等現象，圖像的品質相比于在空氣介質中所拍攝的普通圖像有著明顯的下降。 因此，了解水下光學成像模型，并歸納總結影響水下成像的因素，對于各個相關領域的研究都有著重要意義。

1. 水下成像模型

根據 Jaffe-McGlamery 基于線性疊加以及水介質建模理論的綜合研究， 一種經典的 Jaffe-McGlamery 水下光學成像模型被提出[16]。該模型的示意圖如下1所示， 其中相機接收到的光可由 3 個分量組合表示:

1. 直接分量, 即直接被拍攝物體反射并到達相機的光照分量；
2. 前向散射分量，反射光偏離原來的傳播軌跡后，又隨機地被相機接收的光照分量；
3. 后向散射分量, 光照在到達目標前被水介質中懸浮顆粒反射后進入相機的分量。

實踐表明，水下圖像通過上述3個分量進行線性疊加而獲得.與空氣介質存在本質上的不同。水介質的不均勻性與復雜性會導致光照在其中的傳播路徑會發生隨機的改變，即光照散射：其中前向散射會導致獲得的水下圖像呈現模糊的現象；而后向散射會導致水下圖像呈現低對比度以及霧化的效果，并掩蓋水下場景中的很多細節，影響成像質量。

通常情況下，由于物體和攝像機距離較小，前向散射分量造成的影響可以被忽略。那么水下成像模型可因此簡化為（包含直接分量和后向散射）：
$$I(x)=J(x)t_c(x)+B_c(1?t_c(x)).$$
給定的公式是用于描述水下圖像形成模型的一個表達式，其中包含了幾個關鍵參數，每個參數都有其特定的物理意義：

• $I(x)$：表示觀測到的原始圖像（或稱為退化圖像），即在水下環境中實際捕捉到的圖像。這個圖像包含了由于光在水中傳播而產生的各種衰減和散射效應。

• $J(x)$：代表理論上無任何衰減或散射影響的清晰圖像。換句話說，這是假設沒有水體干擾時理想情況下應該得到的圖像。

• $J(x)t_c(x)$：表示直接分量，它是從場景點出發，直接到達相機傳感器的光線貢獻部分。這里的$t_c(x)$就是所謂的場景透射率，它量化了光線從場景點到達觀察者的過程中未被散射或吸收的比例。$t_c(x)$值越接近1，表明該點的光線受水介質的影響越小；越接近0，則表示受到的影響越大。

• $B_c(1?t_c(x))$：表示后向散射分量，指的是來自環境中的其他方向的光線（如環境光）被水體散射進入相機傳感器的部分。$B_c$在這里表示水下環境光，也就是存在于水環境中的背景光強度。這部分光并非直接來源于感興趣的目標，而是通過與水分子或其他懸浮顆粒相互作用后間接到達傳感器，因此會對圖像質量造成模糊等負面影響。

• $B_c$：水下環境光，指的是在水體中普遍存在的光強度。它可能來自于外部光源（如太陽光）在水中的散射、反射以及自身的發光源等。

• $t_c(x)$：場景透射率，如上所述，它是衡量光線從場景點到達觀察者過程中保留了多少初始能量的指標。它取決于水體的光學性質（例如渾濁度）、距離以及波長等因素。

綜上所述，該公式描述了水下圖像的形成過程，包括直接從目標到觀察者的光線傳輸和由環境光導致的散射效應。通過分析這些參數，可以更好地理解和恢復出原本的清晰圖像。

除了散射外，水介質對光照的吸收也是造成 水下圖像質量降低的重要因素之一。 水介質對光照的吸收效果與波長呈正相關，并隨著水深的增加，吸收效果會更加明顯。光在水中的衰減特性如下圖所示，顯然, 光在水中的衰減程度與波長相關，波長越長，其穿透能力越差，越容易被水吸收。 在水下環境中，紅色光由于波長最長而會最先被水吸收，綠色光次之，而藍色光波長最短，此藍色光在水介質中也有著較強的傳輸能力。實驗表明, 在清澈的水介質中，紅色光在水深 5 m 時即會消失，其次是橙色光、黃色光和綠色光。綠色光在水深 30m處消失, 這也是大部分水下圖像呈現藍色或藍綠色調的原因。

光照的吸收與散射現象是導致水下光照衰減 的主要原因，前者直接造成光能損失，而后者會導致電磁能方向的改變。根據著名的朗伯-比爾經驗定律可知，光照強度的衰減程度取決于光通過介質本身所具有的性質，而在水介質情況下, 光照強度將直接以指數形式進行衰減，這將對水下成像的對比度以及清晰度產生極大影響。實驗表明，由于光照衰減的存在，在清澈水介質中的能見度僅有 20 m 左右，而在渾濁的水介質中，能見度僅能達到5m左右。